Способ измерения скорости Советский патент 1984 года по МПК G01P5/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости движения жидкостей, газов и рассеивающих свет поверхностей.

Известен способ измерения скорости механического движения, заключающийся в том, что в исследуемой среде формируют интерференционное световое поле с известной пространственно-частотной структурой, получают изображение этого поля в свете, рассеянном движущимися частицами, преобразуют оптический сигнал в электрический и измеряют частоту электрического сигнала til.

Недостатком способа является ограниченная точность измерений из-за погрешности, вносимой фазовым шумом, возникающим вследствие наложения сигналов от .многих частиц при большой их концентрации.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения скорости, заключающийся в том, что в исследуемой среде формирзтот оптическим излучением интерференционное поле с известной пространственно-частотной структурой, формируют пространственный Фурье-спектр этого поля в свете, рассеянном движущимися частицами, фильтруют Фурье-спектр пространственно-частотным периодическим фильтром, согласованным со средним расстоянием между частицами, преобразуют селектированный оптический сигнал в электрический и измеряют частоту электричёс ого сигнала, по которой судят о скорости, В известном способе дрстигается более высокая в сравнении с другими способами точность снижения уровня фазовых шумов при измерениях в реальном масштабе времени с исследуемьм процессом С 2.

Недостатком известного способа является ограниченная точность измерений из-за присутствия в селектированном оптическом сигнале некогерентной компоненты и погрешности компенсации ее в электрическом сигнале, поскольку невозможно при измерениях в реальном масштабе времени выравнят амплитуды когерентной и некогерентной компонент достаточно точно.

Цель изобретения - повышение точности измерений путем увеличения соотношения сигнал - шум.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения

скорости, заключающемуся в формировании оптическим изJ Vчeниeм интерференционного поля с известной пространственно-частотной структурой,

формировании пространственного Фурьеспектра этого поля в свете, рассеянном движущимися частицами, фильтрации Фурье-спектра пространственночастотным периодическим фильтром, ,

.согласованньм со средним расстоянием между частицами, преобразовании селектированного оптического сигнала в электрический и измерении частоты электрического сигнала, по которому судят о. скорости, формируют оптическим излучением, отличным от

первого спектральным составом, вто- t рое интерференционное поле с простран ственно-частотной структурой, противофазной ctpyKType первого поля, селектируют оптический сигнал от первого интерференционного поля через четные полупериоды пространственночастотного фильтра, а от второго интерференционного поля - через нечет ные полупериоды пространственно-частотного фильтра.

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа с селекцией сигналов по спектральным линиям на фиг. 2 - схема устройства с селекцией по ортогональным поляризациям,

Устройство содержит последовательно расположенные лазер 1, формирователь интерференционного поля, состоящий из последовательно размещенных

согласующего объектива 2, дисперсионной призмы 3, объектива 4, однополосного акустооптического модуляторарасщепителя 5, расположенной на пути одного из расщепленных пзгчков дисперсионной фазовой пластинки 6 и ахроматического объектива 7, последовательно за которым установлен ахроматический формирователь пространственного Фурье-спектра 8, в Фурье-плос

кости которого установлен пространственно-частотный периодический фильтр

9,за которым помещен фотопригмник

10.К фотоприемнику подключен измеритель 11 частоты электрического сигнала. Дисперсионная призма 3, объектив 4, однополосный акустооптический модулятор 5 и фазовая пластинкао6

.образуют в совокупности расщепитель лазерного пучка. в устройстве (фиг. 2) расщепитель лазерного пучка выполнен в виде поляризационной призмы 12. Пространственно-частотный периоди ческий фильтр 9 может быть вьшолнен в случае .бихроматического зондирующего поля в виде, например, прозрачной пластины с периодически распреде ленным в ее плоскости диэлектрически «ногослойным покрытием, селективным по отношению к длине волны падающего излучения. В четных полупериодах такое покрытие вьтолняется прозрачным только для длины волны Д , а в нечетных - прозрачным только для излучения с длиной волны Л. (например, синяя, и зеленая линии излучения арго нового лазер.а). Дисперсионная призма 3 помещена для согласования линий лазерного излучения с углами Брэгга в акустооптическо44 ячейке. Дисперсионная фазовая полуволновая пластинка 6 установ лена на пути расщепленных: пучков для введения 180сдвига фаз между прост ранственно-частотными структурами сформированных интерференционных полей, имеющих одинакрвьй размер интер ференционных полос W. Способ осуществляется следующим образом. В устройстве (фиг. 1) бихроматический лазер 1, согласующие объективы 2 и 4, акустооптический модулятор расщепитель 5 и ахроматический объек тив 7 формируют в исследуемой среде суперпозицию двух интерференционных полей, отличающихся по спектру лазерного излучения. Поскольку зондирующие поля, сформированные различными линиями лазерного излучения, имеют противофазную пространственно-частотную структуру, когерентные оптические сигналы, полу ченные при рассеянии этих полей на движущихся частицах, находятся в . противофазе. При этом амплитуда когерентного сигнала имеет наибольшее значение, если расстояние между частицами близ ко к величине периода пространственного Фурье-спектра функции, описывакщей фипьтр. Структура этого йпект ра состоит из последовательности мни мых источников, расстояние между коtopboioi определяется пространственным периодом фильтра. Размер каждого источника равен расстоянию между пер744выми нулями пространственного Фурьеобраза линейной апертуры фильтра. Некогерентный оптический сигнал, интегрированный по апертуре фильтра, практически обращается в нуль, так как он усредняется по большому числу противофазных сигналов, .распределенных по апертуре. Когерентная составляющая интенсивности оптического сигнала и пьедестал преобразуются фотоприемником в электрический сигнал. Низкочастотный пьедестал электрического сигнала отфильтровывается и измеряется частота когерентной составляющей uj-p , которая связана.с периодом Wзондирующего поля соотношением . Дття подстройки измерительной системы под изменяющееся среднее расстояние между рассеивающими частицами Ь среде оптический Фурье-преобразователь выполняют г переменным масштабом преобразования. Действие устройства, показанного на фиг. 2, аналогично действию вьшеописанного ус.тройства со спектральньм разделением:зондирующих интерференционных полей, однако последние, имеющие противофазную пространственноучастотную структуру, отличаются ортогональными поляризациями. Плоскости поляризации, в которых сформированы эти поля, ортогональны и развернуты на 45° относительно плоскостей поляризации формирующих лазерных пучков. Пространственно-частотньй фильтр 9 выполнен из периодически чередующихся полосок поляризаторов. В четных полуперйодах пропускается свет, поляризация которого совпадает с поляризацией одного из зондирующих интерференционных полей, а в нечетных полупериодах - пропускающих ортогонально поляризованньй свет от другого интерференционного поля, пространственно-частотная структура которого противофазна структуре первого поля. Для этого оси пропускания тюЛяризаторов в четных и нечетных полуперйодах. пространственно-частотного фильтра развернуты соответственно на угол 45 относительно плоскостей поляриза-, ции световых пучков на выходе поляризационной призмы 3. Повышенная точность достигается тем, что в оптическом сигнале, селек тированном согласованным пространств

S10939746

венно-частотным фильтром, отсутству- в электрическом сигнале при измереет некогерентная компонента. Поэтому ниях в реальном масштабе времени,как это исключается погрешность, связанная с имеет место в известном способе,и повы.невозможностью полной компенсации ее шается соотношение сигнал - шум.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ, заключающийся в формировании оптическим излучением в исследуемой среде интерференционного поля с известной пространственно-частотной структурой, формировании пространственного Фурьеспектра этого поля в свете, рассеянном движущимися частицами, фильтрации Фурье-спектра.пространственно-частотным периодическим фильтром, согласованным со средним расстоянием между частицами, преобразовании селектированного оптического сигнала вэлектрический и измерении частоты электрического сигнала, по которому судят о скорости, отличающийся тем, что, с целью повьпиения точности измерений путем увеличения, соотношения сигнал - шум, формируют оптическим излучением, отличным от первого спектральным составом, второе интерференционное поле с пространственночастотной структурой, противофазной структуре первого поля, селектирутот i оптический сигнал от первого интерференционного поля через четные полу(П периоды пространственно-частотного фильтра, а от второго интерференционного поля - через нечетные полупериоды пространственно-Частотного фильтра.I